台阶式溢洪道滑掠水流水面线计算公式初探

【水利水电工程 】台阶式溢洪道滑掠水流水面线计算公式初探付 奎 ,刘韩生 ,杨顺玉(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院 ,陕西 杨凌 712100)摘 要 :将台阶看作渠道壁面粗糙 ,根据蔡克士大等的明槽试验研究结果 ,推导了台阶坝面滑掠水流水深计算公式 。

在 给定台阶高度和单宽流量的情况下 ,根据该公式 ,可以得出台阶式溢洪道的沿程水深 。

关 键 词 : 台阶式溢洪道 ; 滑掠水流 ; 水面线计算 中图分类号 : T V651. 1文献标识码 : Ado i : 10. 3969 / j . issn . 100021379. 2009. 06. 050台阶式溢洪道是一种公认的新型高效消能工 ,目前的研究 主要集中在其消能特性 、掺气特性及压强特性等方面 。

张志昌 等 [ 1 ]利用计算光滑溢洪道沿程水深的边界层理论方法 ,将台阶 底部视为大粗糙度来计算台阶式溢洪道水深的沿程变化 ,通过 对计算值和实测值进行比较 ,来找出台阶坝面溢洪道水深的计 算方法 。

台阶式溢洪道的水流流态分为跌落水流 、过渡水流和滑掠 水流 。

滑掠水流形态 (见图 1 ) 特征是水流在溢洪道上产生明 显的分区 ,即分为台阶内的水流旋滚区和台阶虚拟底板以上的 主流区 。

一部分水流受台阶和主流区水流的共同作用 ,形成一 个较大的回流旋流区 , 旋滚方向由外向内 ,旋滚区外缘与台阶 凸角连线形成虚拟底板 ,顶托着主流在这个底板上滑行 。

1. 1 非均匀流段水深计算公式设一微小流段 d L (见图 2 ) 为均匀流 , 则沿程水头损失为αv 2d h f = d h + d+ i d L ( 1)2 g图 2 计算流段由达西 - 威斯巴赫 (D a r cy - W e i sbach)公式可知 :v 2 ΔL = λ4R 2g( 2)h f 式中 :λ为沿程阻力系数 ;ΔL 为计算流段长度 ; v 为明渠均匀流 流速 ; R 为水力半径 , 台阶坝面多为大单宽流量 , 可认为 R ≈ h 。

积分式 ( 1 ) 得1 2 2h f = ( h 1 - h 2 ) +2 g(α1 v 1 - α2 v 2 ) + Δi L ( 3)1取 R =2 ( h 1 + h 2 ) ,α1 =α2= ( 1. 7 ～ 2. 0) , 并根据连续图 1 滑掠水流形态h 1 2q = h 2 v 2 , 则 v =h + h , 将式 ( 2)性 方程可知 v 2 =v 1 , q = h 1 v 1 h1 公式的推导2 1 2代入式 ( 1 ) 得由文献 [ 2 ]可知 , 当 26 °<α < 55°(α为台阶坝面虚拟坡底 与水平方向的夹角 ) 时 , 滑掠水流开始出现的界限为2λq 2ΔLα1 q 22+2 ( h 2 - h 1 ) + Δi L( 4)h 2 = h 1 -32 g ( h 1 + h 2 )2g h 1 h 2h c= 0. 91 - 0. 14 tan α 因 h 1 、q 、i 、ΔL 等参数一般是已知的 , 故只需要求出沿程阻 力系数 λ就可以求出水深 h 2 。

d式中 : h c 为堰顶水深 ; d 为台阶高度 。

影响台阶坝面溢洪道水流流态的因素十分复杂 ,目前尚无 有关台阶坝面溢洪道沿程水深计算的有效方法 ,笔者借助蔡克 士大等的试验结果 [ 3 ] ,对台阶坝面溢洪道沿程水深的计算方法 进行了研究 。

收稿日期 : 2008 06 20作者简介 :付奎 ( 1983 —) ,男 ,四川隆昌人 ,硕士研究生 ,研究方向为水工建筑 物高速水流 。

E 2m a i l: xnfk@ 163. com·118·人 民 黄 河2009年均匀混合流的水深 h w 可表示为2台阶高度为 d, 则其凸出高度 k s 1 - i d, 对于台阶坝=h wk s v 3= 0. 50 F r 0. 1 tan α+0. 5, F r = q / ( gd 3 sin α) 1 / 2 面明槽溢流 , 根据文献 [ 3 ] 可知 : ①光滑区 (< 0. 8)33 dν11取 h =2 ( h w + h p) , 即= 4 lg ( R e λ) + 2. 0λ 1- 1 / 30. 1 tan α+0. 5h =[ h c 0. 215 ( sinα) + 0. 50 d F r 3]k s v 32②过渡 A 区 ( 0. 8 < < 1. 2)ν1= 4 lg R2 计算实例+ 5. 75k s λk s v 3岗曲河一级水电站位于云南省迪庆藏族自治州境内的金 沙江上游左岸一级支流岗曲河上 ,第四期采用台阶坝面溢洪道 消能 ,坝面溢洪道首部采用平底宽顶堰 ,堰顶高程为 2 580. 20m ,溢流净宽为 20 m ,采用 2孔布置 。

左右边墩墩头为 1 /4椭圆曲面 ,中墩前后墩头为尖圆形 。

陡槽段坡比 1 ∶1. 6,泄槽净宽21. 5 m 。

溢洪道采用台阶消能形式 ,台阶高 60 c m ,宽 96 cm 。

通过水工模型试验 ,测得校核水位为 2 583. 99 m ,下泄流量为 227 m 3/ s,则单宽流量为 10. 56 m 3/ ( s ·m ) 。

试验测得的 台阶坝面溢洪道沿程水深值与计算所得的水深值对比见表 1 , 可见实测值与计算值吻合较好 。

③过渡 B 区 ( 1. 2 << 1. 65 )νk s v 3 + 9. 65 - 4 lg ( ) 0. 81= 4 lg R ν k s k s v 3④粗糙区 (> 1. 65)ν1= 4 lg R+ 4. 25k s λτ0=ρ; R e 为雷诺 式中 :ν为动力黏滞系数 ; v 3 为摩阻流速 , v 3 数 , R e = 4R v /ν。

表 1 台阶坝面溢洪道沿程水深mτ0h fv在微小流段内 τ0= γR J , J =ΔL , v 3 =2λ, = 0 + 007. 965 0 + 019. 485 0 + 038. 685 0 + 0 + 0 +ρ 4桩号056. 925 076. 125 092. 445 q2λ。

滑掠水流一般处于粗糙区 , 通过计取 v = v 1 , 则 v 3= 4 h实测值计算值1. 252 0. 851 0. 792 0. 767 0. 748 0. 738 1 k s v 31. 2500. 8380. 7740. 7450. 7450. 745算 ν , 判定该流段处于哪个区 , 从而根据相应的公式求出沿程阻力系数 λ, 代入式 ( 4 ) 可以计算得出水深 h 2 , 依次计算则可 以得到一定单宽流量下的沿程水深 , 所取流段越小 , 则精度越 高 。

由于式 ( 4 ) 为隐函数 , 因此采用编程计算更加方便快捷 。

1. 2 均匀流段水深计算公式泄槽要达到均匀流所需要的标准的垂直距离几乎与 α角 成线性关系增加 ,它可以近似用下面的幂指数公式表示[ 4 ]:参考文献 :[ 1 ] 张志昌 ,曾东洋 ,刘亚菲 . 台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能效果的试验研究 [ J ]. 应用力学学报 , 2005 , 22 ( 1) : 30 - 35. 艾克明 . 台阶式 泄 槽 溢洪 道 的水 力 特 性和 设 计应 用 [ J ]. 水 力发 电 学 报 ,1998 ( 4 ) : 86 - 95.夏震寰 . 现代水力学 [M ]. 北京 :高等教育出版社 , 1992.R 博依斯 . 碾压 混 凝 土坝 台 阶式 溢 洪 道的 水 力设 计 [ J ]. 国 际水 力 发 电 , 2002 ( 5 ) : 22 - 27.【责任编辑 张华岩 】[ 2 ][ 3 ] [ 4 ]H u ≈ 24 ( sinα) 2 / 3h c均匀流的当量清水深度 h p 可表示为h p= 0. 215 ( sin α) - 1 / 3 h c(上接第 19页 )水资源运行调度的信息化水平 ,加强数字流域 建设 ,以水利信息化推动水利现代化 。

要根据不同流域 、不同 地区的实际情况 ,因地制宜地确定水利现代化建设的目标和任务 ,积极稳妥地推进水利现代化工作 。

( 7 )水资源统一管理 。

按照《中华人民共和 国水法 》的规定 ,进一步深化水资源管理体制改革 ,建立权威高效的流域和 区域相结合的水资源统一管理体制 ;大力推行城乡水务一体化 管理 ,实现地表水与地下水 、城市水与农村水 、水量与水质的统 一管理 ;按照政府宏观调控和市场配置相结合的原则 ,探索和 建立我国水权分配机制 ,逐步建立国家初始水权制度 ,建立和 完善水资源宏观分配控制指标和微观定额控制指标 ,形成以经 济手段为主的节水机制 ,不断提高水资源的利用效率和效益 , 实现水资源优化配置 ; 要系统地分析不同流域 、不同地区水资源和水环境的承载能力 ,加强对水资源的供需管理 , 遏制对水 资源的无序开发和利用 ,大力推进节水型社会建设 。

参考文献 :阎增山 . 确立人与自然和谐相处的理念 [ J ]. 理论前沿 , 2006 ( 15 ) : 8 - 9.陆新元 ,熊跃 辉 . 以人 与 自 然和 谐 推进 和 谐 社 会 构 建 [ N ]. 中 国 环 境 报 ,2005 - 04 - 12 ( 3 ) .徐建新 ,丁占 稳 , 温 随群 , 等 . 黄 河 干 流梯 级 水 库对 河 流 生 态 系 统 的 影 响 [ J ]. 人民黄河 , 2007, 29 ( 10 ) : 7 - 8.侯怀仁 . 黄河下游土壤盐碱化评价及变化特征研究 [ J ]. 人民黄河 , 2008 , 30( 6) : 3 - 4.【责任编辑 赵宏伟 】[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ][ 4 ]© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 。